Газотурбинные двигатели для магистралей нового поколения

Александр ИНОЗЕМЦЕВ

Одним из путей увеличения эффективности газотранспортной системы ОАО «Газпром» является развитие магистралей с трубами с повышенного диаметра. Это обусловливает потребность крупнейшего в России газового концерна в газотурбинных установках единичной мощностью 30...40 МВт.

В настоящее время на основании технического задания «Газпрома» специалистами ОАО «Авиадвигатель» ведется разработка газотурбинной установки ГТУ-30П простого цикла мощностью 34 МВт и кпд 39% (ISO). Новая разработка пермского конструкторского бюро предназначена для использования в составе перспективных газоперекачивающих агрегатов (ГПА) повышенной единичной мощности.

ОАО «Газпром» планирует использовать газотурбинные установки данного типа на новых магистральных газопроводах с высоким уровнем давления перекачиваемого газа (120 бар).

Кроме этого, ГТУ-30П будут востребованы при реконструкции действующих ГПА компрессорных станций, а также установок по сжижению природного газа. Реализацию пилотного проекта «Газпром» предполагает провести в рамках реконструкции КС «Очерская» ООО «Газпром трансгаз Чайковский».

Особого внимания заслуживают концептуальные основы конструкции ГТУ-30П. В основе ГТУ -двигатель истребителя
Газотурбинная установка ГТУ-30П создается на базе серийного двигателя Д-30Ф6, который сегодня устанавливается на истребителях МиГ-31. Выбор этого двигателя обусловлен большей размерностью газогенератора (~ в 1,6 раза), чем у ПС-90А, на базе которого нами разработаны газотурбинные установки мощностью 10, 12, 16 и 25 МВт. Использование в качестве базы газогенератора Д-30Ф6 позволит обеспечить параметры, заданные в техническом задании, и получить возможность развития создаваемой ГТУ по мощности и кпд до 40 МВт и 40%.

Промышленный вариант двигателя Д-30Ф6 проектируется с двухвальным двухконтурным турбокомпрессором с малой степенью двухконтурности (m=0,1) и силовой турбиной.

Основными преимуществами двухконтурного газотурбинного привода с малой m являются:
       - уменьшение тепловых и акустических измерений в рабочее помещение;
       - отсутствие специальных систем обдува корпусов компрессора высокого давления

(КВД), турбин высокого и низкого давления (ТВД и ТНД), а также силовой турбины (СТ);
       - утилизация утечек за КВД по всем стыкам узлов внутреннего контура;
       - возможность использования теплообменника системы охлаждения ТВД и его обдува;
       - обеспечение газодинамической устойчивости КНД в более широком диапазоне режимов по сравнению с одноконтурной схемой и др.

Компрессор низкого давления

Восьмиступенчатый компрессор низкого давления создается на базе пятиступенчатого КНД двигателя Д-30Ф6 путем добавления к нему трех ступеней сзади, которые проектируются заново. Увеличение количества ступеней позволит повысить степень сжатия КНД и ГТУ в целом. Сжатие обеспечивает увеличенный расход воздуха за счет повышения частоты вращения для достижения мощности ГТУ Nе    40 МВт.

Разделительный корпус (РК) проектируется на базе серийного РК двигателя Д-30Ф6 с сохранением центрального привода.
Конфигурация разделителя потоков наружного и внутреннего контуров оптимизируется для уменьшения потерь на входе в наружный и внутренний контуры, а также для исключения «запирания» входа в наружный контур на глубоких дроссельных режимах, в т. ч. на режимах с открытыми клапанами перепуска.

Компрессор высокого давления

Десятиступенчатый компрессор высокого давления создается на базе КВД серийного двигателя путем организации нового отбора воздуха на нужды турбины за седьмой ступенью, оптимизации радиальных зазоров,  замены материалов четвертого и пятого дисков и ряда других конструкторских работ.


























Камера сгорания


Технический облик камеры сгорания ГТУ-30П обеспечивает выполнение требований техзадания по уровню эмиссии NОx:
        - содержание NOx не более 50 мг/нм3, для опытной партии допускается значение не более 100 мг/нм3;
        - содержание СО не должно превышать 300 мг/нм3.

В качестве базового выбран вариант камеры сгорания ГТУ-25П с малоэмиссионной горелкой и выносными жаровыми трубами. Этот вариант обладает широкой возможностью модернизации под специальные условия работы газотурбинной установки и высокой технологичностью.
Одним из ключевых условий создания малоэмиссионной камеры сгорания ГТУ-30П является наличие у «Авиадвигателя» соответствующей экспериментальной базы. Это позволит специалистам конструкторского бюро осуществлять исследование и доводку различных экспериментальных образцов камеры сгорания при натурных параметрах ГТУ-30П и проводить верификацию численных моделей рабочих процессов в камере сгорания.


Турбины ГТУ

В составе ГТУ-30П имеется три турбины:  высокого давления, низкого давления и силовая турбина. Будут спроектированы новые лопатки ТВД и ТНД, корпуса ТВД и ТНД, диски ТНД и силовая турбина, в конструкции которой учтен опыт доводки СТ газотурбинных установок мощностью 12, 16 и 25 МВт, разработанных нашим КБ. Необходимо отметить, что впервые в нашей практике силовая турбина конструктивно будет выполнена отдельным модулем.

В июле 2008 года состоялось заседание научно-технического совета ОАО «Авиадвитель», целью которого стало рассмотрение технического облика ГТУ-30П.

В работе совета, кроме представителей предприятий Пермского моторостроительного комплекса, приняли участие руко-водители и ведущие специалисты ОАО «Газпром», ДОАО «Оргэнергогаз», ОАО «НПО «Искра», ЗАО «Искра-Авигаз».
В ходе работы были подняты наиболее острые вопросы конкурентоспособности и экономичности ГТУ-30П, ее технологичности и надежности. Активное участие в обсуждении основных технических решений представителей стратегического партнера пермских моторостроителей - ОАО «Газпром» - свидетельствует не только об особом интересе крупнейшего в России газового концерна к новым проектам пермского конструкторского бюро, но и о том, что уже созданная продукция соответствует его требованиям.